1、煤與瓦斯突出是威脅煤礦安全的嚴(yán)重災(zāi)害。隨著采深的增加,多場(chǎng)耦合作用復(fù)雜,原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變,煤與瓦斯突出的可能性和強(qiáng)度大大增加。機(jī)理不清導(dǎo)致突出仍是世界范圍內(nèi)的煤礦礦井生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)重的自然災(zāi)害。基于采礦學(xué)、巖體力學(xué)、多尺度動(dòng)力學(xué)和滲流力學(xué)等多學(xué)科理論,采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論研究和數(shù)值分析相結(jié)合的方法,通過(guò)宏、細(xì)觀實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和分析煤巖體受應(yīng)力場(chǎng)作用后破壞破碎全過(guò)程,得到煤巖逾滲轉(zhuǎn)變基本參數(shù)與環(huán)境參數(shù)關(guān)系,獲得煤巖體內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化全過(guò)程的CT圖片

2、,研究煤與瓦斯突出潛伏、發(fā)生階段逾滲轉(zhuǎn)變的條件和判據(jù),考慮煤體逾滲演化規(guī)律,分階段考慮煤與瓦斯突出的演化全過(guò)程,揭示煤與瓦斯突出的逾滲機(jī)理。取得的主要研究成果如下:通過(guò)設(shè)備改裝,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了應(yīng)力和溫度條件下含瓦斯煤的物理力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,含瓦斯煤峰值強(qiáng)度隨瓦斯含量的增加而降低;彈性模量隨瓦斯含量增加而降低;滲透性隨瓦斯含量的增加而減少,但溫度的改變將對(duì)滲透率造成新的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果從不同角度說(shuō)明瓦斯對(duì)煤體會(huì)產(chǎn)生各種宏觀作用,這

3、些作用主要是通過(guò)壓力、溫度、瓦斯壓力等對(duì)煤體孔、裂隙的發(fā)生和發(fā)展而實(shí)現(xiàn)。介紹了煤體的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)特征,分析了孔隙、裂隙的分類,研究方法,模型,孔徑分布,煤階以及滲透率的關(guān)聯(lián)。闡明煤體的分形特征取決于孔隙、裂隙的非均質(zhì)分布。而對(duì)孔裂隙進(jìn)行研究只采用宏觀方法不夠,應(yīng)采用CT高精度掃描實(shí)時(shí)條件下煤體孔隙、裂隙發(fā)生、發(fā)展過(guò)程,對(duì)煤與瓦斯突出細(xì)觀機(jī)理進(jìn)行分析研究。通過(guò)材料和結(jié)構(gòu)的研究,成功研制了適用于微型圓柱形煤巖試件單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定的細(xì)觀煤巖

4、損傷破壞試驗(yàn)機(jī),該試驗(yàn)機(jī)可與三維顯微CT耦合使用,觀測(cè)試件內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展和破壞規(guī)律。這個(gè)首創(chuàng)的試驗(yàn)機(jī)填補(bǔ)了細(xì)觀研究領(lǐng)域的部分空白,實(shí)現(xiàn)了如實(shí)反映微型煤巖試件加載過(guò)程中的各個(gè)變形階段,得出的結(jié)論可深化煤巖破壞規(guī)律的相關(guān)理論。利用自行設(shè)計(jì)的細(xì)觀煤巖損傷破壞試驗(yàn)機(jī),與CT系統(tǒng)耦合使用進(jìn)行了單軸實(shí)時(shí)荷載作用下煤體損傷破壞的CT掃描實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在線彈性階段,煤體內(nèi)部已出現(xiàn)微裂隙;在屈服階段,煤體內(nèi)部原有微裂隙明顯擴(kuò)大,新的裂隙產(chǎn)生;峰值強(qiáng)度

5、后,煤體內(nèi)部孔隙、裂隙大片連通,實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示隨著應(yīng)力—應(yīng)變階段的改變,煤體內(nèi)部各剖面孔隙率持續(xù)增加,關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度呈現(xiàn)先增大后減少在大幅增大的規(guī)律,對(duì)主裂縫的發(fā)展進(jìn)行了描述,闡述了煤體內(nèi)部孔、裂隙的發(fā)生有利于逾滲轉(zhuǎn)變的發(fā)生。系統(tǒng)進(jìn)行了二維、三維煤體逾滲過(guò)程及規(guī)律研究。結(jié)果顯示:由于煤中孔隙分布的不均勻性,在逾滲轉(zhuǎn)變之前,最大孔隙團(tuán)的膨脹速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理想模型,發(fā)生逾滲轉(zhuǎn)變的閾值點(diǎn)普遍小于理想模型的結(jié)果,這就大大地降低了煤體發(fā)生逾滲轉(zhuǎn)變的難度。閾

6、值和關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度的變化規(guī)律說(shuō)明煤體內(nèi)部主裂隙從發(fā)生到發(fā)展完成會(huì)使得煤體發(fā)生逾滲轉(zhuǎn)變的程度大幅增強(qiáng)。三維煤體逾滲過(guò)程分析結(jié)果表明:主裂隙帶區(qū)域孔隙點(diǎn)數(shù)隨著全應(yīng)力—應(yīng)變階段的改變而增大。煤體內(nèi)部最大連通團(tuán)受應(yīng)力作用由原生孔隙發(fā)達(dá)區(qū)域向新裂隙轉(zhuǎn)移,最終擴(kuò)展至與主裂隙匯合,形成逾滲團(tuán)。煤體內(nèi)部裂隙的發(fā)育會(huì)避開(kāi)高密度矸石區(qū),但會(huì)擠壓矸石區(qū),縮小其區(qū)域范圍。裂隙起始位置常為孔隙裂隙發(fā)達(dá)區(qū),逾滲參數(shù)變化規(guī)律與其他位置不同。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)裂隙的產(chǎn)生導(dǎo)致

7、煤體破壞提前,逾滲概率增大;而且逾滲現(xiàn)象會(huì)增加連通的孔隙與裂隙,使瓦斯得以匯聚,主裂縫發(fā)生區(qū)即為逾滲轉(zhuǎn)變高危區(qū)和煤巖失穩(wěn)高危區(qū),發(fā)生突出可能性較大。將煤與瓦斯突出視為一個(gè)力學(xué)過(guò)程。分為孕育、潛伏、發(fā)生、發(fā)展和終止五個(gè)階段進(jìn)行分析。被吸附的瓦斯對(duì)煤體本身的蝕損完成了孕育過(guò)程。地應(yīng)力和外界擾動(dòng)使得孔裂隙發(fā)展,煤體孔隙率突破閾值,逾滲現(xiàn)象發(fā)生,瓦斯集結(jié)完成潛伏過(guò)程。逾滲轉(zhuǎn)變后,外界擾動(dòng)導(dǎo)致煤體失穩(wěn),能量釋放,突出發(fā)生。層裂、粉化交替作用,突出